煤巖儲層傷害機理及評價方法

崔思華 管保山 張遂安 伊向藝 梁 利 劉 萍

(1.中國石油大學 (北京),北京 102249;2.中國石油勘探開發研究院廊坊分院,河北 065007;3.成都理工大學,四川 610059)

1 煤巖儲層傷害機理

為了達到較好的壓裂效果,需要對壓裂過程中可能產生的損害進行評價。與常規油氣藏的油氣層敏感性損害和保護評價相似,壓裂過程中的煤層氣儲層保護技術評價也是基于考慮外界環境作用于煤巖儲層后的滲透率變化特征為主要目的,在保護技術實施過程中需要考慮三個方面的內容：(1)煤巖儲層潛在損害因素及敏感性程度評價;(2)煤巖儲層壓裂液損害實驗評價;(3)保護煤巖儲層的壓裂液體系的建立及應用。

結合煤層氣開發特征,進行煤巖儲層的應力敏感、速敏、水敏等敏感性評價,以及入井流體對煤巖儲層損害因素分析,能夠為煤巖氣藏的開發過程中的儲層保護工作提供基礎參數,對于提高煤層氣開采產量,加大煤層氣開采力度,有著積極的意義。

煤巖儲層的潛在敏感性損害與其獨特的孔隙結構特征、割理和微裂縫系統、敏感性礦物類型以及潤濕性等有關。針對煤巖儲層特征,結合開發過程可能遇到的作業情況,對煤巖儲層潛在損害進行分析。

煤巖裂縫發育具有平直的特征,是煤層甲烷滲流的通道,很容易在受外來流體和壓力的情況下,發生堵塞與閉合,造成滲透率降低,產能下降,嚴重影響煤層氣產量。煤巖基塊微孔隙發育,比表面積大,具較強的吸附能力,它的這些特性容易引起工作液及添加劑的吸附與滯留,加重了損害的嚴重性和防治難度。在煤層壓裂造縫的過程中,壓裂液體系對煤層具有一定的正壓差作用,在壓裂液正壓差作用下,壓裂液部分固、液相會沿裂縫通道向煤層基質孔隙中濾失,煤巖儲層孔徑微小使得其具有高的毛管壓力作用特征,進入基質孔隙中的壓裂液組分在高的毛管壓力作用下也很難被返排出來,滯留在中等孔隙及微孔隙中的固相和液相組分會造成孔隙體積的減小、增加儲層的致密程度,從而影響儲層的滲透能力。通過大量的試驗研究認為壓裂液對煤巖儲層的傷害機理主要以下幾點：

(1)煤巖儲層主要由有機高分子組成,比表面積大,吸附性強,因吸附造成的儲層損害嚴重。壓裂液吸附在煤表面形成滲透率近似于為零的致密帶,使甲烷氣體很難從內部孔隙中擴散出來,降低煤層氣的滲流能力;

(2)煤巖低孔低滲,毛管力作用強,引起壓裂液滯留在煤層,形成水相圈閉,造成對儲層的傷害韓城區塊煤巖基質孔隙以粒內孔和植物組織孔為主,孔隙直徑為5～15μm,平均孔隙度 4.872%,滲透率為0.009～190.115×10-3μm2,低于1×10-3μm2占57%;低孔、低滲透、含水飽和度高,非均質性強煤層氣藏的喉道半徑小,毛細管壓力大,產生的自吸和滯留作用明顯;

(3)煤巖是孔隙和裂隙都極其發育的雙重孔隙結構,固相侵入是造成滲透率損害的主要因素,易發生堵塞與閉合,嚴重影響煤層氣產量。韓城地區煤巖裂隙平均寬0.5～17mm,裂隙密度0.2～2.6條/m,發育密度最大在45條/m左右,平行組割理和正交產狀裂縫組均有出現;

(4)煤巖儲層應力敏感性強,塑性特征明顯使得更易產生煤粉發生運移、堵塞,降低裂縫導流能力,影響煤層氣產量。

2 傷害實驗評價方法

針對上述主要傷害機理,設計合理的實驗方法,正確評價各種壓裂液對煤巖儲層的傷害,為優化壓裂液配方提供重要的實驗數據。

(1)煤巖吸附傷害實驗

煤巖儲層主要由有機高分子組成,比表面積大,吸附壓裂液中的有機組分,在毛管壓力作用下產生“滯留效應”,增加儲層的致密程度,對儲層的滲透能力造成損害,使甲烷氣體很難從內部孔隙中擴散出來,降低煤層氣的滲流能力。實驗室采用人工煤心柱,利用壓裂液動態濾失傷害儀進行吸附傷害評價。取小于100目的煤粉40g(在105℃下烘4小時),裝入膠筒中,在一定的壓力下制成煤心柱待實驗,該情況下擴大了與液體接觸的煤粉的表面積,能更好的反應由于吸附而造成的傷害。將充填好的動態濾失儀膠筒安裝在動態濾失儀上測其通過標準鹽水的滲透率;再將待測液 (活性水、線性膠、凍膠壓裂液以及清潔壓裂液)反向注入煤心中,密閉數小時;然后再注入標準鹽水,測其滲透率,直至滲透率平穩。實驗在儲層溫度下進行。實驗液體用活性水、清潔壓裂液濾液、植物膠壓裂液濾液,實驗用煤樣為韓城3#煤。實驗結果見表1及圖1～3。

表1 煤芯柱傷害實驗結果

從實驗結果看,不含有機物的活性水壓裂液由于吸附對煤巖造成的傷害小于含有機物的清潔壓裂液和植物膠壓裂液。在選用壓裂液時,要充分考慮其中的有機質由于吸附對煤儲層造成的傷害。

圖1 清潔壓裂液濾液傷害實驗結果

圖2 活性水傷害實驗結果

圖3 植物膠壓裂液濾液傷害實驗結果

3 毛細管自吸實驗

在煤層氣開采過程中,煤巖與工作液接觸,引起的毛細管自吸會導致水相圈閉傷害,造成氣相滲透率下降,嚴重影響煤層氣產量。實驗用煤為晉城3#煤。

(1)裝置和實驗方法

實驗利用精度為0.1mg的電子天平懸吊測量自吸巖樣重量變化,用智能LCR測量儀測量自吸過程中巖樣電阻率。首先模擬地層水建立初始含水飽和度;在LCR儀器上進行試驗,記錄巖樣吸水前重量和電阻。

(2)毛細管自吸實驗結果

對研究區水相圈閉傷害的實驗評價,主要采用氣驅水獲得束縛水飽和度與殘余水飽和度,對應測量束縛水飽和度與殘余水飽和度條件下的氣測滲透率。其評價結果如圖4所示。由評價結果可以看出,束縛水飽和度范圍在19.26%～35.25%左右,在束縛水飽和度條件下,巖心的水相圈閉傷害指數為0.435～0.556。可以看出煤的自吸能力隨自吸時間的延長,而逐漸減弱。在煤層氣開采過程中,煤與工作液接觸,引起的毛細管自吸會導致水相圈閉傷害,造成氣相滲透率下降,嚴重影響煤層氣產量。

圖4 不同煤樣的水相圈閉傷害圖

(3)氣相滲透率恢復實驗

試驗方法是將準備好的巖樣緊夾于煤心夾持器中,密封樣品。改變進口壓力,待其穩定后,讀出該壓力下的流量,計算滲透率。實驗數據表如表2所示。

表2 氣相滲透率恢復實驗數據表

由實驗結果可以看出,隨著壓差的增加,巖心的滲透率不斷的變大,最大滲透率恢復率在47.72%,最小滲透率恢復率在32.47%,恢復率在30%至50%之間,平均恢復率為36.98%。

4 壓裂液動濾失實驗

圖5 壓裂液動濾失實驗

煤巖是孔隙和裂隙都極其發育的雙重孔隙結構,固相侵入是造成滲透率損害的主要因素,易發生堵塞與閉合,嚴重影響煤層氣產量。由于煤巖滲透率極低,利用常規砂巖傷害評價方法難以完成壓裂液對割理裂縫的傷害實驗。利用自主研發的儲層動濾失分析儀,給巖芯夾持器加載對應埋深的有效應力,使壓裂液以一定流速流過巖芯前部端面,給液體加壓,使巖芯前后兩端形成一定的壓差,測取巖芯出口端濾液的濾失量和對應的濾失時間,模擬壓裂液在井下壓力和剪切條件下壓裂液的濾失情況,測定壓裂液在地層條件下的濾失特性。

測得巖心的實驗數據如圖5所示：從結果可以看出,不論是什么濾液類型,煤巖的濾失量偏大,濾失系數范圍為8.3～1.1×10-4cm/濾失系數值偏大,其中 KCl溶液的濾失系數1.1×10-3清潔壓裂液為1.22×10-4cm/初始濾失量：清潔壓裂液為0.6677cm3/cm2。活性水0.3773cm3/cm2實驗,相差不大,測得煤巖動濾失實驗有別于常規石油類儲層巖石動濾失實驗,實驗曲線沒有出現明顯的分段情況,實驗過程前期濾失量沒有明顯大于后期濾失量,這是由于無論用活性水、KCl溶液、清潔壓裂液溶液,動濾失過程中煤巖端面都不易于形成濾餅,導致濾失實驗前后濾失量差別不大。

KCl溶液的初始濾失量為負值可能與壓裂過程中裂縫張開有關,煤巖屬于裂隙性儲層,不同于孔隙性儲層,當外來工作流體進入煤巖裂隙中時,流體的滲入使得煤巖節理面的有效應力減小,節理張開區域和距離變大,導致煤巖內部結構變的疏松,容易受到更多外來流體的沖刷,最終使得煤巖裂隙增大和疏松 (鄧金根,2008)。故隨著時間的變化單位時間內的濾失量不降反增,與常規的孔隙性儲層濾失趨勢有所差異。所以會出現初始濾失量為負值的現象,如活性水壓裂液。

5 結論

(1)煤巖儲層比表面積大、吸附性強,割理裂隙發育、固相侵入堵塞,低孔低滲、易發生水相圈閉和液相滯留,是煤巖儲層主要傷害機理;

(2)不同體系壓裂液對煤巖儲層的傷害機理不同,根據主要傷害機理選擇不同的傷害實驗評價方法,對優化壓裂液配方具有重要的指導意義;

(3)毛管自吸實驗表明,煤與工作液接觸后煤巖的含水飽和度會增加,最終含水飽和度能達到90%左右,氣測滲透率傷害率也達到90%左右。隨著返排壓差的增加;煤巖氣測滲透率不斷提高,最終能恢復到初始狀態的70左右;

(4)自主開發研制的煤層壓裂液動濾失試驗評價方法,能真實模擬煤層增產過程中壓裂液濾失情況,為壓裂液優選提供技術支持。

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